地下水污染溶质运移模型研究进展

摘要本文通过介绍地下水污染溶质运移的理论模型及研究进展，以及可应用的计算软件；提出目前地下水溶质运移模型仍存在的问题，并对应用前景进行了展望。
　　关键词地下水污染溶质运移进展
　　
　　地下水污染溶质运移模型是指运用数学模拟方法研究污染物在地下水中迁移、转化，通过模拟可溶性污染物在地下水中迁移时浓度的时空变化规律，预测地下水污染的瞬时动态与扩展范围，可以更好的为防治地下水污染提供科学依据。
　　1溶质运移研究的理论基础
　　目前，关于地下水溶质运移行为特征的模型主要有两种：一是溶质的水动力运移模型，描述水文和物理的溶质运移过程；二是溶质的多组分化学平衡模型，研究的是在各种复杂化学作用下的溶质形态分布的状况。
　　（1）水动力运移模型
　　水动力运移模型即传统的对流弥散模型，以多孔介质中的物质运输理论为基础，遵循质量守恒定律而建立的偏微分方程。溶质是非挥发性物质，当气相物质被忽略时，溶质运移方程表达式为：
　　
　　式中V=q/为达西速度（L/T）：h为压力水头（L）；为衰变常数（1/T）；为介质的干容重（M/L3）；为修正的介质压缩系数（1/L）；M为其他过程的源汇项（M/L3）。
　　（2）化学平衡模型
　　对于已知其原理的化学反应，模型的建立一般基于以下原理：质量守恒定律，质量作用定律，电中性方程。在局部平衡的假设下，各组分的每种化学反应均可由代数方程描述，以络合反应为例：
　　络合物由基本组分形成：
　　
　　平衡时的质量作用定律可以表示为：
　　
　　为平衡常数，为反应计量系数，为基本组分的电荷数，为反应计算系数，为基本组分的电荷数，为络合物的电荷数。热动力学活度，可近似表达为：
　　
　　式中为活度系数，为溶解组分的摩尔浓度。
　　2国内外研究进展
　　2.1国外研究进展
　　自上世纪开始可以分为三个阶段：
　　第一阶段在70年代：是在水动力模型研究基础上开始地下水溶质运移模型的研究。通过简化的和统计的模型研究各种水动力弥散理论，制定出了测定溶质运移参数的方法。代表作为以色列学者Jacob、bear分别发表的著作《Dynamicsoffluidsinporousmedia》和《Hydraulicsofgroundwater》。
　　第二阶段为发展阶段，从80-90年代初期：开始出现了大量溶质模型，包括水溶液平衡地球化学模型、地下水溶质运移模型以及耦合模型：如Miller和Benson建立了用于模拟一维饱和多孔介质溶质运移的数学模型CHEMTRN[1]，并将该模型应用于锶(Sr)在地下水中的运移；Cederberg等人提出了多组分溶质系统的一个质量运移模型TRANQL，用镉(Cd)、氯化物、溴化物进行络合和吸附反应的模拟。
　　此外，还有Walter等提出了模拟多种热动力化学反应物质运移模型MINTRAN；Pfingsten提出的一维耦合模型MCOTAC。
　　第三阶段，自90年代中期，主要是将传统模型进行改进。Tebes-Stevens和Alocchit建立了反应运移模型FEREACT，把两步迭代和地球化学及微生物反应作用联合起来，提高了传统连续迭代法的收敛性。Merkel研究了铀(U)在地下水中的反应运移[2]，考虑了其在地下水及水与固体之间的对流、弥散、稀释、吸附等相互作用。Ferrel等则应用地球化学运移模式PHREEQC预测模拟重金属(Pb)在黏土中的滞留问题。
　　近年来，国外学者在地下水溶质运移理论和实验研究方面又取得了新的进展，对污染物运移的弥散系数提出了与时空相关的表达式，使得运移方程中的系数考虑更全，取值更加合理。
　　2.2国内研究进展
　　我国对地下水运移模型的研究是从80年代初才开始的。自1982年武汉水利电力学院应用伽辽金有限元法，求解了在渗流区有抽水井条件下的溶质运移问题后。许多学者开始进行这方面的理论和应用研究，如：蒋辉曾以硝酸盐氮伽作为模拟计算因子[3]，对河南沁阳市地下水水质进行数值分析。吴吉春、薛禹群首次建立了越流含水层系统地下水污染的数学模型[4]，并将其应用于平原盆地地下水污染。史晓杰等运用PHREEQC模型软件模拟灌溉水与土壤之问的相互作用过程，探讨了土壤盐渍化的形成机理。
　　3地下水溶质运移模型存在的问题
　　虽然国内外关于地下水溶质运移模型的研究已经取得了很大进展，从单纯、孤立的研究，成为目前多学科交叉的溶质运移模型；但是仍然存在着诸多问题，包括：模拟作用过程的机理还需进一步查明；弥散系数的实测分析方法有待完善；非保守性污染物的运移转化问题还需进一步加强等等。
　　4目前常用的模拟软件
　　目前在国际上，DOS版本的MODFLOW、MT3D等依然发挥着重要的作用，其中：MODFLOW是由美国地质调查局（USGS)于80年代开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件。
　　随着计算机技术的发展，带有可视化功能的地下水模拟软件发展迅速，以加拿大Waterloo水文地质公司开发的VisualMODFLOW和FEFLOW最为著名，其中：VisualMODFLOW是目前国际上最为流行且被一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。
　　在国内以中国水利水电科学研究院为代表的基于有限元方法和有限差分方法开发的GWMS三维地下水溶质运移模型也得到了广泛应用。
　　比较流行的化学平衡模拟软件有PHREEQC、MINTEQA2等。其中：MINTEQA2是美国环保局(EPA)开发的模拟软件，被广泛用于地下水分析、采铀区地下水的修复等许多实际工作。
　　5结语
　　随着计算机科学及“3S”系统的发展和应用，通过对地下水污染溶质运移转化进行模拟，已成为环境保护、土地规划等领域的常用手段，广泛的用于控制地下水污染，防止土壤盐碱化等各个方面，预计地下水溶质运移模型必将更好的为人类服务。
　　参考文献
　　[1]MillerCW,BensonLV.Simulationofsolutetransportinchemicallyreactiveheterogeneoussystem:modeldevelopmentandapplication[J].WaterResour.Res.,1983,19(2):381-391
　　[2]MerkelB.地下水中铀的反应运移模拟[J].地球科学-中国地质大学学报，2000,25(5):451-455
　　[3]蒋辉.河南沁阳市地下水水质的数值模拟[J].水文地质工程地质,1996,23(2):14-15.
　　[4]吴吉春,薛禹群.越流含水层系统中的溶质运移方程[J].水文地质工程地质,1996,25(1):30-31